研究人員研發出新型手性無機納米材料

　　手性材料在推動生物標記、手性分析和檢測、對映異構體選擇性分離、偏振相關光子學和光電子學應用等領域的發展具有重要意義。目前，傳統手性納米材料主要是通過引入手性配體或構造螺旋結構等電偶極矩調控方式構筑，但這類手性材料在環境穩定性和導電性方面通常存在局限性，極大地限制了其實際應用。探索新的調控機制并構筑新型手性納米功能材料是突破這一科學瓶頸的新途徑。

　　近日，中國科學院院士、中國科學技術大學教授俞書宏團隊與國家納米科學中心研究員唐智勇課題組、多倫多大學教授Edward Sargent團隊開展多方合作，在新型手性無機納米材料合成研究中取得進展。研究人員首次通過在一維納米結構單元中定點選擇性復合磁性材料，利用局域磁場調制電偶極矩與磁偶極矩之間的相互作用，成功合成了一類新型手性無機納米材料。該成果以Regioselective magnetization in semiconducting nanorods 為題在線發表在《自然-納米技術》雜志上(Nat. Nanotechnol. 2020, 10.1038/s41565-019-0606-8)。

　　俞書宏團隊長期開展功能無機納米材料的合成方法學研究，在膠體納米晶成核生長方面積累了豐富經驗。構建此類磁光手性納米異質結構的前提是在特定位置引入局域磁場，因而需要實現磁性單元的位點選擇性生長。研究人員基于材料間接觸角與異質成核生長的相互關系（圖1a-c），提出了一種“雙緩沖層設計”合成策略（圖1d），通過次序引入中間緩沖層改變材料間的界面能差異，從而解決了傳統半導體材料與磁性材料間的晶格和化學失配問題，巧妙地實現了磁性材料在不同半導體特定位置的選擇性生長。

　　研究人員發現，在納米結構中引入局域磁場可實現對電偶極矩與磁偶極矩的有效調控。通過構筑這類新型磁光納米材料，能夠實現磁誘導光學活性，為開發新型手性無機納米材料提供了新途徑。他們以常見的一維硫屬化合物半導體納米棒為例，通過在納米棒的頂點處集成Ag2S/Au核殼結構組分，催化Fe3O4磁性納米顆粒的定點生長，成功構筑了ZnxCd1-xS-Ag2S/Au@Fe3O4 (x = 1, 0.9, 0.5, 0.3, 1) 四元異質納米棒（圖2）。得益于這種局域磁場調控機制，異質納米棒的電偶極矩發生偏轉并與磁偶極矩產生非零相互作用，從而在不引入手性配體、螺旋結構或手性晶格的前提下，展現出了手性光學活性（圖3）。

　　研究結果表明，該方法具有高度普適性，可廣泛用于多種半導體材料與磁性組分間的耦合，為今后設計開發手性光學活性納米材料開辟了新途徑。同時，這種新型磁光半導體納米材料的成功開發使得在室溫下的各向異性鐵磁性以及自旋操控成為可能，從而有望為自旋電子學和量子計算技術提供新的材料平臺。

　　該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心項目等的資助。